馬保亮

（中交二公局東萌工程有限公司）

0 引言

新拌混凝土的工作性能不僅與施工進(jìn)度、施工成本密切相關(guān)，同時(shí)影響混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和耐久性。流變特性是研究水泥基材料工作性能的重要指標(biāo)，對(duì)施工過程具有現(xiàn)實(shí)意義。國(guó)內(nèi)外關(guān)于混凝土流變特性的研究相對(duì)較少，馮忠緒教授團(tuán)隊(duì)通過研究不同攪拌工況下的混凝土攪拌功率與混凝土流變參數(shù)的變化規(guī)律，對(duì)不同材料的攪拌參數(shù)進(jìn)行了研究分析[1-3]。本試驗(yàn)通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)分析，結(jié)合流變學(xué)理論與實(shí)測(cè)混凝土振動(dòng)攪拌過程功率變化曲線，利用坍落度筒和倒置坍落度筒測(cè)定相關(guān)流變參數(shù)[4-5]，對(duì)上述流變學(xué)觀點(diǎn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 攪拌過程中的混凝土流變特性

水泥混凝土有三種狀態(tài)：攪拌過程中的彈-黏-塑性狀態(tài)、新拌混凝土的黏-塑性狀態(tài)以及硬化水泥混凝土的固體狀態(tài)?；炷恋牧髯兲匦允侵钙涫芰笏a(chǎn)生的流動(dòng)與變形的特性。攪拌過程中混合料受到作用力不同，其新拌混凝土的黏-彈-塑性狀態(tài)會(huì)有不同，在相同養(yǎng)護(hù)條件下，其硬化混凝土性能也不相同。因此攪拌過程中的流變特性對(duì)新拌混凝土和硬化混凝土的性能影響具較大影響[1]。

原料投入攪拌機(jī)時(shí)，水為流體狀，砂石和水泥為固體狀（彈性體），隨著攪拌過程的推進(jìn)，各物料混合并發(fā)生持續(xù)的水化和水解作用，各物料從單一的狀態(tài)轉(zhuǎn)變成黏-彈性體，再轉(zhuǎn)變?yōu)轲?塑性體。不同狀態(tài)下攪拌阻力不同，故轉(zhuǎn)矩也不同，即混合料的不同狀態(tài)與轉(zhuǎn)矩存在相關(guān)性；且由于本試驗(yàn)中攪拌速度是恒定值，因此攪拌功率與轉(zhuǎn)矩線性相關(guān)。因此，攪拌功率的變化曲線，既反映了混凝土攪拌的均勻程度，亦反映了攪拌過程中混凝土的流變特性[2]。本試驗(yàn)采用測(cè)試并繪制攪拌電機(jī)功率曲線的方法對(duì)振動(dòng)攪拌過程中混凝土的流變特性進(jìn)行分析。

2 振動(dòng)攪拌試驗(yàn)

2.1 原材料及配合比

本試驗(yàn)采用的試驗(yàn)原材料符合GB175-2007《通用硅酸鹽水泥》、JTG/T F50-2011《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》、DB45/T1621-2017《機(jī)制砂及機(jī)制砂混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》技術(shù)要求，材料規(guī)格及混凝土設(shè)計(jì)配合比如表1所示（不含添加劑），水灰比0.35，無添加劑。

表1 試驗(yàn)用原材料及設(shè)計(jì)配比

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)采用DT60ZBW雙臥軸振動(dòng)攪拌機(jī)，整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。攪拌機(jī)功率輸入主要有兩有大部分：由2臺(tái)3kw分別驅(qū)動(dòng)的振動(dòng)機(jī)構(gòu)和1臺(tái)4kw電機(jī)驅(qū)動(dòng)的雙臥軸攪拌機(jī)構(gòu)。振動(dòng)能量由振動(dòng)軸通過偏心套傳至攪拌軸，并以攪拌軸為中心線沿半徑向外傳至周圍混合料[2]。

圖1 雙臥軸振動(dòng)攪拌機(jī)

圖2 為功率測(cè)試系統(tǒng)，包括Fluke435-II電能質(zhì)量與電機(jī)分析儀，可實(shí)時(shí)計(jì)算電機(jī)功率、功率因數(shù)和總功率等參數(shù)；圖3為倒置坍落度筒，通過兩點(diǎn)法原理[2]測(cè)量倒置坍落度筒排空時(shí)間可間接獲取新拌混凝土的流變參數(shù)。

圖2 功率測(cè)試儀

圖3 倒置坍落度筒

2.3 試驗(yàn)方案

由于不同振動(dòng)參數(shù)下攪拌功率的差異顯著，故采用振動(dòng)攪拌強(qiáng)度作為單一因素，分析不同振動(dòng)強(qiáng)度下攪拌功率與流變參數(shù)之間的關(guān)系。分別選振動(dòng)強(qiáng)度D=0、1、2、4四種水平進(jìn)行試驗(yàn)（D=0即普通攪拌），振動(dòng)系統(tǒng)振幅A=0.82mm。投料順序?yàn)榇止橇?水泥-細(xì)骨料-水，先干拌35s再加水濕拌55s。測(cè)試項(xiàng)目包括攪拌功率、坍落度、倒置坍落度筒時(shí)間。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 不同振動(dòng)強(qiáng)度下的攪拌功率變化曲線

如圖 4（a）-（d）所示為振動(dòng)強(qiáng)度 D=0、1、2、4 時(shí)實(shí)測(cè)振動(dòng)攪拌過程功率曲線。由圖可見，在本試驗(yàn)整個(gè)攪拌過程中，不同振動(dòng)強(qiáng)度下的攪拌功率變化趨勢(shì)基本一致，與文獻(xiàn)[2]描述的攪拌階段曲線變化相似。

圖4 不同振動(dòng)強(qiáng)度下的攪拌功率曲線

以圖4（b）為例，將D=1的功率曲線與振動(dòng)攪拌混凝土細(xì)觀結(jié)構(gòu)演變過程進(jìn)行對(duì)照分析，如圖5所示。由功率曲線變化可將混凝攪拌狀態(tài)分成四個(gè)階段，第I階段：攪拌裝置與混合料各組分之間主要是干摩擦力，隨著投料量的增加，攪拌功率迅速增加；第II階段：水填充到粉料與顆粒間形成較大顆粒團(tuán)，使混合料內(nèi)部粘聚力增加，攪拌困難，攪拌功率急劇增加，直至功率峰值拐點(diǎn)“黏度點(diǎn)”；第III階段：隨著攪拌的持續(xù)，混合物內(nèi)部顆粒團(tuán)破裂，生成的水泥漿不斷裹覆骨料表面，起到了骨料間的潤(rùn)滑作用，使攪拌功率逐步下降，直至功率曲線轉(zhuǎn)向平穩(wěn)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)“流動(dòng)點(diǎn)”；第IV階段：功率平穩(wěn)，混合料內(nèi)部凝聚結(jié)構(gòu)已完全破壞，材料間作用力由第III階段的內(nèi)摩擦力轉(zhuǎn)變?yōu)轲ば粤?，此時(shí)攪拌已均勻，混凝土細(xì)觀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

圖5 振動(dòng)攪拌功率曲線與混凝土結(jié)構(gòu)演變的關(guān)系

由上述分析可見，“黏度點(diǎn)”功率其實(shí)反映了混合物由顆粒團(tuán)轉(zhuǎn)變?yōu)榫吡鲃?dòng)性的黏塑性材料的難易程度，其時(shí)間點(diǎn)則反映了其轉(zhuǎn)變的速度；而“流動(dòng)點(diǎn)”功率實(shí)質(zhì)上反映了新拌混凝土的黏性，其時(shí)間點(diǎn)則反映了攪拌的均勻速度。結(jié)合圖4、圖5可見，普通攪拌的“黏度點(diǎn)”功率為3.12kw，時(shí)長(zhǎng)64s，而振動(dòng)攪拌“黏度點(diǎn)”功率約為2.78-2.85kw，時(shí)長(zhǎng)分別為 62s、58s、58.1s，故振動(dòng)攪拌較普通攪拌更容易分散顆粒團(tuán)聚,且減少了攪拌時(shí)間；三組振動(dòng)攪拌的“流動(dòng)點(diǎn)”功率（約2.3～2.4kw）明顯低于普通攪拌（約為2.65kw），由此可見振動(dòng)攪拌的混凝土黏性小于普通攪拌，且振動(dòng)攪拌的“流動(dòng)點(diǎn)”時(shí)長(zhǎng)較普通攪拌分別減少6.7%、22.6%、29.3%，即攪拌均勻時(shí)間大幅減少；攪拌過程平均功率分別降低7.0%、11.6%、12.3%。

3.2 坍落度分析

四組混凝土坍落度測(cè)試結(jié)果如表2所示，普通攪拌最低175mm，振動(dòng)強(qiáng)度D=1時(shí)坍落度為185mm，D=4時(shí)為195。振動(dòng)攪拌混凝土坍落度均高于普通攪拌，且在本四組試驗(yàn)范圍內(nèi)振動(dòng)強(qiáng)度越大，坍落度越大。

表2 混凝土倒置坍落度筒排空時(shí)間

3.3 倒置坍落度筒時(shí)間

如表2所示，普通攪拌的倒置坍落度筒排空時(shí)間最大，振動(dòng)攪拌的排空時(shí)間均有明顯減少，且當(dāng)振動(dòng)強(qiáng)度D=4時(shí)，排空時(shí)間最短，黏度最小。

4 結(jié)語

⑴不同振動(dòng)強(qiáng)度下的攪拌功率曲線與混凝土攪拌狀態(tài)密切相關(guān)。攪拌功率曲線，可以間接反映混凝土攪拌的均勻程度和攪拌過程中混凝土的流變特性；

⑵試驗(yàn)結(jié)果顯示，振動(dòng)攪拌的“黏度點(diǎn)”功率和時(shí)長(zhǎng)、“流動(dòng)點(diǎn)”功率和時(shí)長(zhǎng)均比普通攪拌小，其中“流動(dòng)點(diǎn)”時(shí)長(zhǎng)（攪拌均勻時(shí)間）分別縮短了6.7%、22.6%、29.3%，攪拌總功率分別降低了 7.0%、11.6%、12.3%，表明振動(dòng)攪拌有效提升了攪拌效率，減少了功率損耗，同時(shí)流動(dòng)性得到改善，對(duì)工程應(yīng)用具有重要意義。